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Kompensationssehaltung, insbesondere für die Zwecke der Fernmessung.
Zur Messung kleiner Ströme ist es bekannt, Kompensationsschaltungen zu verwenden, mit deren Hilfe in einem besonderen Hilfsstromkreis unter Benutzung eines Kompensationsgerätes ein Strom eingestellt wird, der der zu messenden Grösse proportional ist. Für die Zwecke der Fernmessung kann dieser Kompensationsstrom über die Fernleitung gesandt werden. Als Kompensationsgerät können verschiedenartig gebaute Einrichtungen verwendet werden, mit deren Hilfe die zu messende Grösse (Strom oder Spannung) mit dem im Hilfsstromkreis fliessenden Strom oder einem bestimmten Bruchteil dieses Stromes verglichen wird. Dieser Vergleich kann auch auf elektrischem Wege durchgeführt werden, indem man beide Ströme durch ein und dieselbe Spule eines Mess-oder Steuergerätes in entgegengesetzter Richtung fliessen lässt.
Bei den bekannten Schaltungen macht die Beeinflussung des Kompensationsstromes in Abhängigkeit von dem durch das Kompensationsgerät durchgeführten Vergleich zwischen der zu messenden Grösse und dem Kompensationsstrom oder einem bestimmten Bruchteil dieses Stromes Schwierigkeiten, weil jede mechanische Rückwirkung der Verstelleinrichtung für den Kompensationsstrom auf das Kompensationsgerät zu prozentualen Messfehlern oder zu einer Skalenverschiebung führt. Es ist auch vorgeschlagen worden, in Kompensationsschaltungen Entladungsgefässe (Verstärkerröhren) zu verwenden.
Die bekannten Anordnungen arbeiten aber entweder mit dauernden Änderungen des Kompensationsstromes derart, dass nur der Mittelwert der Messgrösse entspricht, oder die Verstärkerröhren werden nur angewandt, um durch die Bereitstellung einer grösseren Energie die erwähnten Schwierigkeiten zu vermindern.
Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltung, mit deren Hilfe eine praktisch rückwirkungslose Beeinflussung des Kompensationsstromes in Abhängigkeit vom Kompensationsgerät ermöglicht wird.
Gemäss der Erfindung wird ein Entladungsgefäss in Selbsterregungsschaltung zur Beeinflussung des Kompensationsstromes verwendet, und der Rückkopplungsgrad wird kontinuierlich in Abhängigkeit vom Kompensationsgerät beeinflusst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Mit 1 ist das Kompensationsmessgerät bezeichnet, dem ein der zu messenden Grösse entsprechender Strom durch die Zuleitungen 2 und 3 zugeführt wird. 4 ist die Spule des beweglichen Systems, beispielsweise die Spule eines Drehspulmessgerätes. Die Stromzuführungen zu diesen Spulen werden möglichst richtkraftlos ausgeführt. Man kann entweder sehr schwache Federn verwenden oder man kann die Richtkräfte durch Quecksilberkontakte od. dgl. gänzlich beseitigen. Mit der Spule 4 ist eine aus Metall, beispielsweise Aluminiumblech, bestehende Fahne 5 fest verbunden, die zur Steuerung des Kompensationsstromes dient. Für die Erfindung ist die Ausbildung des Kompensationsgerätes belanglos ; man könnte beispielsweise auch Geräte verwenden, die nach Art einer Kelvinwaage gebaut sind.
Zur Steuerung des Kompensationsstromes dient das Entladungsrohr 6. Man verwendet zweckmässig ein Hochvakuumglühkathodenrohr. Jedoch lassen sich auch gas-oder dampfgefüllte Rohre verwenden. Im Anodenkreis des Rohres 6 liegt der aus der Induktivität 7 und der Kapazität 8 bestehende Schwingungskreis, der mit dem Kompensationswiderstand 9, dem Anzeigegerät 10 und der Anodenstromquelle 11 (Batterie-
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oder Netzanschlussgerät) in Reihe geschaltet ist. An Stelle des Anzeigegerätes 10 kann auch ein Registriergerät oder Regelgerät in den Anodenkreis geschaltet werden. Im Gitterkreis der Röhre 6 liegen die Rückkopplungsspule 12 und der Kondensator 13. Das Gitter der Röhre 6 ist ferner durch den hohen Widerstand 14 mit der Kathode verbunden.
Die Kopplung zwischen den Spulen 7 und. 72 wird so gewählt, dass kräftige Schwingungen einsetzen, so dass sich der Kondensator 13 stark negativ auflädt und der Anodenruhestrom einen geringen Wert annimmt. Die Fahne 5 ist beweglich zwischen den Spulen 7 und 12 angeordnet, so dass der Rückkopplungsgrad von der jeweiligen Lage der Fahne abhängt. Der jeweilige Arbeitspunkt und damit der Anodenruhestrom der Röhre auf ihrer Charakteristik sind durch dieAufladung des Gitters bestimmt. Diese Aufladung ist ihrerseits abhängig von der Amplitude der selbsterregten Schwingung. Die Amplitude dieser Schwingung ist aber vom Rückkopplungsgrad und vom jeweiligen Arbeitspunkt abhängig.
Man erhält dadurch eine zwar nicht lineare, aber doch ausser einem gewissen Bereich stetige Abhängigkeit des Anodenruhestromes vom Rückkopplungsgrad und damit von der augenblicklichen Lage der Fahne 5.
Ein Teil des Anodenruhestromes wird durch die Spule 4 des Kompensationsgerätes 1 geleitet.
Zu diesem Zweck sind die Leitungen 2 und 3 an die Enden des Kompensationswiderstandes 9 angeschlossen.
Man kann auch eine besondere Spule verwenden, um den Kompensationsstrom auf das Kompensationsgerät einwirken zu lassen. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn mehrere Kompensationsgeräte mit einer gemeinsamen Anodenstromquelle betrieben werden sollen und die Messstromkreise galvanisch miteinander verbunden sind. Durch das Widerstandsverhältnis zwischen dem Kompensationswiderstand 9 und der von diesem Widerstand abgezweigten stromdurchflossenen Spule wird der Teil des Gesamtkompensationsstromes bestimmt, der auf das Kompensationsgerät 1 rückwirkt. Man kann deshalb durch Verändern des Widerstandes 9 oder des Widerstandes 15 das Verhältnis zwischen dem ursprünglichen Messstrom und dem durch das Gerät 10 fliessenden Strom (Verstärkungsgrad) einstellen.
Der Kondensator 16 hält die entstehenden Schwingungen vom Widerstand 9 und dem Messgerät 10 fern. Um den über die Röhre 6 fliessenden Mindeststrom unschädlich zu machen, wird mit Hilfe des Widerstandes 17 und der Stromquelle 18, die ein Teil der Anodenstromquelle sein kann, über die Leitung 19 ein dem Anodenstrom entgegengerichteter Strom über das Gerät 10 geleitet. Dieser Strom kann gleich oder grösser als der Anodenmindeststrom sein. Seine Konstanz spielt keine Rolle, da er bei der Kompensation mitberück- sichtigt wird.
Die Anordnung wirkt in folgender Weise :
Es sei angenommen, dass die Fahne 5 ausserhalb des Wirkungsbereichs der Spulen 7 und 12 liegt.
Der Röhrengenerator wird daher stark schwingen, so dass sich das Gitter der Röhre 6 stark negativ auflädt und daher der Anodenstrom einen geringen Wert annimmt. Durch die Spule 4 des Kompensationsgerätes fliesst ein Strom, der dem durch das Gerät fliessenden Strom entspricht. Der Anschluss wird so gewählt, dass dieser Strom die Spule 4 so bewegt, dass sich die Fahne 5 zwischen die Spulen 7 und 12 schiebt. Dadurch wird die Intensität der einsetzenden Schwingungen verringert und der Anodenstrom steigt. Er wird allmählich so stark werden, wie der durch den Widerstand-77 fliessende Strom, so dass über den Kompensationswiderstand 9 und das Gerät 10 kein Strom mehr fliesst. Dann wirken auch keine Kräfte mehr auf Fahne 5 ein und sie behält die eingenommene Lage bei.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass sich selbsttätig das Gerät 10 auf den Wert Null einstellt, wenn die Messgrösse ebenfalls Null ist.
Wird nun ein zu messender Strom über die Spule 4 geleitet, dann sucht dieser Strom die Fahne 5 zwischen die Spulen 7 und 12 zu schieben, so dass die Schwingungen schwächer werden und der Anodenstrom steigt. Dadurch steigt auch der über den Widerstand 9 fliessende Strom, so dass der von diesem Wider- stand abgezweigte Strom, der über die Spule 4 fliesst, dem Messstrom entgegenwirkt. Die Bewegung der Fahne 5 hört auf, sobald der zu messende Strom und der ihm entgegengesetzte Teil des Kompensations- stromes gleich gross geworden sind.
Die beschriebene Schaltung gestattet die Verwendung von Anzeigegeräten 10, deren Nullpunkt in der Mitte liegt, da sich bei der Stromrichtungsumkehr in der Spule 4 auch die Richtung der Bewegung der Fahne 5 und die dadurch hervorgerufene Änderung des Anodenstromes umkehrt.
Es empfiehlt sich, die elektrischen Abmessungen der zur Anwendung kommenden Schwingungkreise so zu wählen, dass die entstehenden Schwingungen im unhörbaren Frequenzbereich liegen. Man wird zweckmässig mit Frequenzen in der Grössenordnung von 106 Hertz arbeiten. Bei der Verwendung so hoher Frequenzen lassen sich die Abmessungen der Spulen in der Grössenordnung von 0-5. 1. 1 ein halten. Man kann deshalb auch sehr kleine Fahnen zur Beeinflussung des Rückkopplungsgrades ver- wenden. Damit durch Stösse die Fahne 5 nicht auf die andere Seite der Spulen 7 und 12 geschoben werden kann, empfiehlt es sich, Anschläge vorzusehen, welche eine solche Bewegung der Fahne verhindern.
Da der Rückkopplungsgrad auch durch Verschieben der Spulen 7 und 12 gegeneinander oder durch
Verändern einer Kapazität beeinflusst werden kann, welche Energie vom Anodenkreis nach dem Gitter- kreis führt, so kann man die im Ausführungsbeispiel dargestellte Veränderung des Rückkopplungsgrades auch durch eine solche Veränderung des Rückkopplungsgrades ersetzen.
Es ist für die beschriebene Anordnung wesentlich, dass die Fahne 5 bei Gleichheit des Messstromes und Kompensationsstromes eine beliebige Lage einnehmen kann. Man wird deshalb, wie eingangs erwähnt,
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Richtkräfte nach Möglichkeit vermeiden. Lassen sich solche Richtkräfte in besonderen Fällen nicht ausschalten, dann muss man gewisse Ungenauigkeiten in Kauf nehmen, die sich aus dem nicht ganz linearen und von den jeweiligen Betriebsverhältnissen abhängigen Zusammenhang zwischen der Lage der Fahne 5 und dem Anodenstrom ergeben. Wenn man derartige Ungenauigkeiten in Kauf nehmen kann, so kann man auch ohne Verwendung eines Kompensationsgerätes mit mechanisch bewegtem System auskommen und mit einer rein elektrischen Kompensation arbeiten.
Es genügt in diesem Falle, einen von der Differenz zwischen dem Messstrom und dem Kompensationsstrom abhängigen Widerstand, beispielsweise eine Verstärkerröhre, so zu beeinflussen und mit Hilfe dieser Röhre die mit der Röhre 6 erzeugten Schwingungen in bekannter Weise in ihrer Grösse zu beeinflussen.
Der Gegenstand der Erfindung wird besonders vorteilhaft für die Zwecke der Fernmessung angewandt. Man kann beispielsweise das Messgerät 10 an einem entfernten Ort aufstellen. Die dabei auftretenden Veränderungen des Leitungswiderstandes werden, wie bei jedem Kompensationsverfahren, unschädlich gemacht.
Die Anwendung des Gegenstandes der Erfindung ist ferner als Empfangsgerät für Fernmessungen, z. B. für das Impulsfrequenzfernmessverfahren, besonders vorteilhaft. Bei diesem Verfahren werden im Rhythmus der eintreffenden Fernmessimpulse (Energiespeicher) z. B. Kondensatoren über ein Messgerät entladen, geladen oder umgeladen. Die bei diesem Verfahren für das Messgerät zur Verfügung stehende Energie ist wegen der Kontaktabnutzung nicht über einen bestimmten Wert erhöhbar. Wenn man die Lade-oder Entladeströme des Kondensators über das Kompensationsgerät der vorliegenden Erfindung leitet, dann hat man es in der Hand, eine fast beliebige Verstärkung vorzunehmen. Man kommt deshalb mit besonders kleinen Kondensatoren aus und kann die Kontakte schonen.
Man kann ferner die Zeitkonstanten des Lade-und Entladestromkreises der Messkondensatoren klein halten und aus diesem Grunde die Impulshäufigkeit steigern. Da das Kompensationsgerät 1 an Stelle eines beliebigen Messgerätes treten kann, so kann man auch ohne weiteres Summen und Einzelwerte anzeigen. In diesem Falle ist lediglich eine galvanische Trennung des Messstromkreises vom Kompensationsstromkreis vorzunehmen, falls, wie eingangs erwähnt, eine gemeinsame Anodenstromquelle verwendet wird. Man kann also alle bekannten Schaltungen für die Summierung mit gleichzeitiger Anzeige der positiven und negativen Einzel-oder Teilsummenwerte benutzen.
Bei der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Anordnung findet die Kompensation in einer Drehspule statt. Wie bereits erwähnt, kann man auch zwei getrennte Spulen verwenden, die miteinander starr gekuppelt sind und von welchen die eine vom Messstrom, die andere vom Kompensationsstrom durchflossen wird. Wenn es sich um die Anzeige von Wechselstromgrössen handelt, so kann man die Kompensation in der Weise durchführen, dass man ein von einem Wechselstrommessgerät erzeugtes Drehmoment durch ein vom Kompensationsstrom erzeugtes Drehmoment aufhebt. Man kann beispielsweise den Anker eines Ferraris-Triebsystems mit der Kompensationsspule auf eine gemeinsame Achse setzen, durch welche die den Kompensationsstrom steuernde Fahne bewegt wird.
Derartige Anordnungen kommen besonders für die Fernübertragung von Weehselstromgrössen mittels eines Gleichstromes in Betracht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Messgerät gemäss der Erfindung in Fernmessanlagen verwendet wird, ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
In Fig. 2 ist mit 101 eine Batterie bezeichnet. 102, 103 und 104 sind Empfänger für das Impuls- frequenzverfahren, bei welchen Kondensatoren abwechselnd über Messgeräte JOJ, 1U6 und 107 von der Batterie 101 aufgeladen werden. 108 ist das Steuergerät. Die Summe der durch die Empfangsgeräte 102,
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eine Verstärkerröhre, in deren Anodenkreis der Zähler 111 liegt. An Stelle einer besonderen Anodenbatterie kann auch die Batterie 101 verwendet werden. Man kann das Gerät auch über bekannte Netzanschlussgeräte von einem Wechselstromnetz speisen. Im Anodenkreis der Röhre 110 liegt der aus der Induktivität 112 und der Kapazität 113 bestehende Schwingungskreis. Die Spule 112 ist mit der Spule 114 gekoppelt, die zwischen Gitter und Kathode der Röhre 110 angeschlossen ist.
In der Gitterleitung liegt der Gitterkondensator 115 und der Ableitewiderstand 116. Der bewegliche Teil des Steuergerätes 108 ist mit der Fahne 117 versehen, welche zwischen den Spulen 112 und 114 beweglich ist.
Der Zähler 111 ist mit einem Kontaktgeber beliebiger Bauart versehen und erzeugt entsprechend der Umlaufsgeschwindigkeit seines Ankers Impulse, welche auf eine nach Art der Empfangsgeräte 102, 103, 104 gebaute Einrichtung 118 einwirken. Durch diese Einrichtung werden über die zweite Wicklung-
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gegenwirken. 120 ist ein im Stromkreis des Zählerkontaktes liegendes Relais, mit dessen Hilfe die vom Zähler 111 erzeugten Impulse nach einem entfernten Ort gesandt oder einem Zählwerk zugeführt werden können.
Die Einrichtung wirkt in folgender Weise :
Die Summe der von den Empfangsgeräten 102, 10, J', 104 erzeugten Ströme sucht die Fahne 117 zwischen die Spulen 112 und 114 zu schieben. Da der Rückkopplungsgrad um so geringer ist, je mehr die beiden Spulen durch die Fahne gegeneinander abgeschirmt werden, um so mehr schwächt die Bewegung
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der Fahne die Schwingungen der Röhre 110. Die negative Ladung des Gitters der Röhre 110 wird dadurch vermindert, so dass der Anodenstrom ansteigt. Entsprechend der Umlaufsgeschwindigkeit des Zählers 111, welche dem Anodenstrom der Röhre 110 entspricht, werden die im Gerät 118 enthaltenen Kondensatoren geladen und dadurch ein der Impulshäufigkeit entsprechender Strom durch die Wicklung 119 gesandt. Diese sucht die Fahne n ? aus dem Bereich der Spulen herauszubewegen.
Die Fahne bleibt in Ruhe, sobald sich die Einflüsse der Spulen 109 und 119 aufheben ; dann entspricht die vom Zähler 111 erzeugte Impulshäufigkeit der Summe der von den Geräten 102, 103, 104 gelieferten Ströme.
Das Steuergerät 108 arbeitet um so genauer, je geringer die auf den beweglichen Teil dieses Gerätes einwirkenden Richtkräfte sind, weil dann die Fahne 117 bei Gleichheit der Einflüsse der Spulen 109 und 119 in jeder beliebigen Lage stehen kann. Da die Beeinflussung des Anodenstromes der Röhre 110 unabhängig davon ist, auf welchen Seiten der Spule sich die Fahne 117 befindet, so empfiehlt es sich, durch einen Anschlag zu verhindern, dass diese Fahne nach beiden Seiten ausschwingen kann. Die vorstehenden Betrachtungen gelten sinngemäss auch für die in Fig. 3 dargestellte Einrichtung.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung sind die mit Fig. 2 übereinstimmenden Teile mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Die Schaltung gemäss Fig. 3 zeigt, dass nicht nur positive, sondern auch positive und negative Messwerte summiert werden können und dass man Steuergeräte mit nur einer Wicklung benutzen kann. Diese Wicklung liegt im Nulleiter eines Dreileitersystems, das durch Anzapfen der Batterie 101 gebildet ist. In dem einen Aussenleiter 121 liegen die Geräte zum Empfang der positiven Summanden. Im andern Aussenleiter 122 liegt das Gerät 118 und parallel dazu ein oder mehrere Empfangsgeräte für die negativen Summanden. Es ist nur eines dieser Geräte dargestellt und mit 123 bezeichnet.
Die von den Geräten 102, 103, 104 gelieferten Ströme wirken im entgegengesetzten Sinne auf das Steuergerät 108 ein, als die von den Geräten 118 und 123 gelieferten Ströme. Im übrigen ist die Wirkungsweise die gleiche wie die der in Fig. 2 dargestellten Anordnung.
Beim Auswechseln der Röhre 110 kann es vorkommen, dass die Schwingungen der Röhre in Abhängigkeit von der Stellung der Fahne 111 plötzlich mit voller Kraft einsetzen und sich der Anodenstrom nicht oder nur in sehr engen Grenzen stetig regeln lässt. Man hat aber im Kondensator 113 bzw. in einem zur Spule 114 parallel geschalteten Kondensator ein Mittel in der Hand, um eine stetige Regelung des Anodenstromes herbeizuführen. Es hat sich gezeigt, dass durch Vergrösserung des Kondensators 113 bzw. durch Verkleinerung eines zur Spule 114 parallel geschalteten Kondensators sich ohne weiteres die gewünschten Verhältnisse einstellen lassen. Die Steilheit des Stromanstiegs in der Röhre 110 in Abhängigkeit von der Stellung der Fahne 111 ist im wesentlichen von den Konstanten der Schwingungskreise abhängig.
Eine stetige Regelung des Anodenstromes der Röhre 110 erhält man auch, wenn man die Spule 112 von einem besonderen Generator, z. B. einen Röhrengenerator, speist. Durch die Fahne 117 wird dann die in der Spule 114 erzeugte EMK gesteuert. Auch auf kapazitivem Wege kann man die dem Gitter zugeführte Spannung oder den Rückkopplul1gsgrad verändern.
Durch die Wahl der Grösse der im Gerät 118 enthaltenen Kondensatoren hat man es in der Hand, ein beliebiges Verhältnis zwischen der Zahl der ankommenden Impulse und der vom Zähler 111 gelieferten Impulse einzustellen. Man wird in der Praxis die Verhältnisse so wählen, dass die vom Zähler 111 erzeugte maximale Impulshäufigkeit nicht grösser ist als die maximale Impulshäufigkeit der übrigen Fernmess- übertragungen. Die beschriebene Einrichtung gestattet es, über die Wicklung des Zählers 111 einen Strom einzustellen, der ein Vielfaches des über das Regelgerät 108 fliessenden Stromes ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Kompensationsschaltung, insbesondere für die Zwecke der Fernmessung, bei der der fremd gesteuerte Hilfsstromkreis (Kompensationsstromkreis) von einer Entladungsröhre beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Röhre als selbsterregter Schwingungserzeuger geschaltet ist und der Rüek- kopplungsgrad durch das Kompensationsgerät kontinuierlich beeinflusst wird.